UHF遠(yuǎn)程控制接收器在RKE和TPMS等系統(tǒng)中的應(yīng)用

愛特梅爾公司 (Atmel Corporation) 的接收器系列產(chǎn)品ATA5723、ATA5724和ATA5728不僅繼承其著名的超高頻 (UHF) 遠(yuǎn)程控制接收芯片ATA5743的優(yōu)點(diǎn)，而且還具有自己的特色。ATA572x系列備有三種型款，針對工業(yè)、科學(xué)和醫(yī)療 (ISM) 頻帶范圍，其中ATA5723的頻帶范圍為313~317 MHz;ATA5724為432~436 MHz;ATA5728為868~870 MHz。該系列器件的RF前端采用愛特梅爾的RF BiCMOS (即UHF6) 工藝制造，并采用小型SSO20封裝，因而非常適合那些應(yīng)用空間非常寶貴的汽車電子應(yīng)用，如遙控?zé)o匙門禁系統(tǒng) (RKE) 和輪胎壓力監(jiān)測系統(tǒng) (TPMS)。這三種器件的引腳兼容，讓系統(tǒng)設(shè)計人員開發(fā)一種線路布局即可應(yīng)用于全球各地的不同解決方案。

圖1 典型的汽車RF應(yīng)用

圖1所示為愛特梅爾接收芯片所支持的RKE及止動器汽車電子應(yīng)用。圖中所示為汽車與密鑰卡 (key fob) 間的信息交換。如果駕駛員按下密鑰卡按鈕來開啟車門，其中的微控制器將把授權(quán)數(shù)據(jù)傳送給UHF發(fā)送器，由它將數(shù)據(jù)發(fā)送出去。若數(shù)據(jù)被接收到，接收器將把數(shù)據(jù)傳給汽車控制單元中的微控制器進(jìn)行驗(yàn)證。如果密鑰卡送出的數(shù)據(jù)與汽車的授權(quán)數(shù)據(jù)相匹配，車門就會打開。發(fā)動引擎的止動器應(yīng)用流程與此類似。本文將重點(diǎn)討論RF數(shù)據(jù)傳輸，特別是接收器一方。

與ATA5743類似，ATA572x系列接收器具有輪詢 (polling) 功能，可讓微控制器處于待機(jī)模式，從而大幅節(jié)省系統(tǒng)的電流消耗。在接收模式下，其工作電流消耗約為8 mA。ATA572x系列器件具有高集成度，包括完全集成的中頻 (IF) 濾波器、低相位噪聲的VCO、PLL和環(huán)路濾波器，因此接收性能極佳。ATA572x系列(圖2)基于單獨(dú)端RF輸入，很適合采用1/4波長天線或用印刷電路實(shí)現(xiàn)的回路天線。該系列芯片支持一般應(yīng)用所要求的典型協(xié)議，如曼徹斯特編碼和雙相位 (Bi-phase) 編碼。在下面的討論中將看到，ATA572x系列只需少數(shù)外接組件，且無需外接IF濾波器;一般只需10個無源組件、一個晶振和一個RF天線，就可創(chuàng)建接收器電路應(yīng)用方案。此外，ATA572x系列接收器具有對數(shù)式RSSI輸出，因而能確定不同發(fā)送器的信號強(qiáng)度，而且分辨率很高。

圖2 ATA572x系列框圖

系統(tǒng)描述

ATA572x系列接收器的RF前端采用低IF超外差電路，將輸入信號轉(zhuǎn)換成近1 MHz的IF信號，且鏡像干擾抑制能力達(dá)到30dB。RF前端由低噪聲放大器 (LNA)、局域振蕩器 (LO)、I/Q混頻器、多相低通濾波器，以及中頻放大器構(gòu)成。來自LNA的信號經(jīng)向下混頻 (downmix) 后變成中頻信號，并經(jīng)完全集成的濾波電路濾波。ATA572x系列接收器的RF前端的準(zhǔn)確構(gòu)造如圖2所示。

電路中的PLL通過一個內(nèi)置低噪聲LC-VCO (電壓控制振蕩器) 和PLL回路濾波器的全集成綜合器產(chǎn)生混頻器所需的頻率。XTO (晶振) 產(chǎn)生參考頻率fREF (對于868和433 MHz器件，fREF=fXTO/2，對于315 MHz器件，fREF=fXTO/3)。XTO是兩引腳振蕩器，工作于石英晶體的電壓共振頻率，其振蕩信號屬于高電流、低電壓信號。因此，在晶振頻率下，芯片引腳XTAL1和XTAL2上的電壓很小。如圖3所示，晶振應(yīng)當(dāng)分別從XTAL1和XTAL2經(jīng)兩個電容 (CL1和CL2) 接地。這種特殊的晶振結(jié)構(gòu)的負(fù)阻振蕩容限一般可達(dá)到1,500Ω，因此，對晶振要求不苛刻，有利于避免“停振”問題。由于ATA572x系列的負(fù)阻振蕩容限大，因而可選用成本較低的晶振。

圖3 XTO外接元件

內(nèi)置的LC-VCO生成fVCO，該頻率為混頻器頻率的兩倍或四倍。將VCO頻率二分頻或四分頻，就得到混頻器的I/Q信號 (對于868 MHz器件fLO=fVCO/2;對于433和315 MHz器件fLO= fVCO/4)。這個VCO頻率經(jīng)128或 64分頻后，也提供予一個相位頻率檢測器，以便與fREF作比較。因此，相位頻率檢測器的輸出要通過集成的回路濾波器，并產(chǎn)生VCO的控制電壓。

圖4 ATA572x和 ATA574 D 匹配阻抗50Ω

RF接收器ATA572x系列在LNA功率匹配時靈敏度最高。這樣就很容易匹配SAW濾波器和1/4波長天線。圖4為ATA572x系列芯片和 ATA5743芯片用于匹配阻抗為50Ω的應(yīng)用電路示例。在ATA5743應(yīng)用電路中，需要5個無源組件來達(dá)到最佳靈敏度。該電路必須使用電感L1、電容 C1，以及100pF電容來實(shí)現(xiàn)LNA輸入阻抗匹配。為達(dá)到最佳靈敏度，LNA的接地連線產(chǎn)生的電感必須通過一個與C3形成共振的電壓共振電路進(jìn)行補(bǔ)償。電感L3建立LNA接地的直流通道。相對而言，ATA572x系列就簡單些，只需在LNA輸入引腳接上兩個無源組件 (L1和C1) 就可優(yōu)化靈敏度。

表1所示為ATA5723/24接收器和ATA5743的靈敏度比較。表中是所達(dá)到的靈敏度提高。

動態(tài)范圍達(dá)60 dB的RSSI輸出是ATA572x系列接收器的另一大特點(diǎn)。中頻放大器信號在進(jìn)入檢波器前經(jīng)RSSI放大器提升，而且該信號可在輸出引腳取出。RSSI 輸出信號在應(yīng)用中用來確定處于距接收天線不同位置或距離的不同發(fā)送器的信號強(qiáng)度。圖5給出了ATA572x系列接收器RSSI特性曲線，即信號強(qiáng)度 (dBm)與VRSSI的線性圖表。

圖5：RSSI特性曲線

靈敏度降低功能是愛特梅爾接收器系列產(chǎn)品的一個成熟特性。RSSI放大器的輸出電壓在電路內(nèi)部與一閾值電壓進(jìn)行比較;該閾值電壓由SENS引腳處的電阻 (Rsens) 數(shù)值決定。該電阻必須連接電源 (VS) 或接地。比較器的輸出饋入數(shù)字控制邏輯，由該控制邏輯來判斷接收器是工作在低靈敏度狀態(tài)，還是工作在最高靈敏度狀態(tài)。將Rsens接地，接收器就按最高靈敏度處理信號，連接到Vtt，接收器則降低靈敏度。在實(shí)際應(yīng)用中，利用這個功能就可為RKE應(yīng)用定義兩種不同的接收距離。

圖6 ATA5723演示板電路 (匹配阻抗50Ω)

圖7 ATA5743演示板電路 (315 MHz器件，匹配阻抗50Ω)

圖6和圖7為愛特梅爾針對ATA5723和ATA5743開發(fā)的演示板電路。兩者相比，清楚地看出ATA5723所需的外接組件要少得多，僅 12個，而ATA5743則為20個。外接組件數(shù)量之所以減少有兩個原因。首先，與ATA5743相比，ATA572x系列集成了回路濾波器。其次，ATA572x系列中的LNA是直接接地的，不需要任何補(bǔ)償電路。而ATA5743則要求采用一個LC電路才能達(dá)到最佳靈敏度。

對于某些應(yīng)用，鏡像干擾抑制能力一般達(dá)到30dB就足夠了。在這種情況下，就不需要用前端SAW濾波器。對于要求較嚴(yán)格的應(yīng)用，就需要用SAW濾波器來實(shí)現(xiàn)所需的靈敏度。不帶SAW濾波器時的接收頻響特性如圖8所示。

圖8 窄帶接收頻響

結(jié)語

ATA572x系列接收器不僅繼承了ATA5743的優(yōu)點(diǎn)，如集成中頻濾波器、自輪詢功能、雙向數(shù)據(jù)接口、降低靈敏度要求的功能、ASK、 FSK、DATA_CLK，以及數(shù)字噪聲抑制功能，而且還增加了一些功能特性，如對數(shù)RSSI輸出、高集成度，以及更方便的RF匹配。這些功能相結(jié)合，使其成為RKE和TPMS汽車電子應(yīng)用的靈活的接收器產(chǎn)品。